CN110523987A - 一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，并具体公开了一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造装备。包括控制模块、压制模块、输送模块和增材制造模块，压制模块包括铺粉机构和压力机构，铺粉机构用于将指定质量及类型的粉末进行均匀铺设在所述输送模块上的指定位置，压力机构将铺设的粉末进行压制，以使得压制后铺设的粉末的厚度为预设值；输送模块用于将压制后的粉末运输至增材制造模块的激光烧结区域；增材制造模块根据模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结。本发明可在激光烧结前对增材材料进行压制处理，激光烧结后可直接获得致密陶瓷，同时避免高扫描速度带来的球化现象，从而有效提高陶瓷材料激光烧结增材制造的效率。

Description

一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统。
背景技术
增材制造技术基于“离散-堆积”成型原理，由零部件的三维数据驱动直接制造实体零件，省去了传统成型技术中繁复的工艺过程和昂贵的模具成本，将传统“去除”材料制造转变为“增加”材料制造。其中，激光烧结工艺，根据激光能量的大小分为激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺和激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)工艺，利用高能激光束逐层熔化/烧结预先铺置在工作台上的薄层粉体来成型复杂零部件，具有精细度高和无需模具快速成型复杂结构等突出优势，因此，在金属、陶瓷及其复合材料成型方面具有良好的应用前景。
传统的激光烧结增材制造设备大多采用粉床(Powder Bed)，即粉末以逐层堆积的形式在加工平台和成型缸体构成的空间中进行激光烧结成型，通常采用铺粉辊或者刮刀实现待成型粉末的均匀铺粉和刮平。因此，用于粉床激光烧结的粉末需要具有良好的流动性，以满足粉体的铺粉要求。粉床激光烧结用的粉体粒径和密度最好均匀一致，以免在铺粉时产生分离而对制件带来负面影响。
由于在铺粉时没有对粉末施加压力，粉末处于低密度的松散堆积的形式。对于金属而言，可以依靠熔融金属流动填充一部分的堆积空隙，但仍容易在成型件内部产生残余孔隙，对制件性能带来负面影响；对于陶瓷而言，激光烧结时产生的液相量少、液相粘度很大，无法有效填充堆积空隙，因而无法直接制造致密陶瓷零件。因此激光烧结技术制备的陶瓷零件通常需要通过浸渗或热等静压等高成本的后处理方式才能获得足够的致密度。此外，低堆积密度的粉末在激光烧结时极易球化，为避免球化，必须使用较低的扫描速度，降低了陶瓷激光烧结的效率。以上两点极大地限制了陶瓷激光烧结技术的推广。
因此，本领域亟待提出一种新的用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统，以解决陶瓷材料激光烧结增材制造难以致密化，且高扫描速率极易发生球化的难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统，其中结合激光烧结所用的材料自身的特征及其增材制造的工艺特点，相应设计了用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统，并对其关键组件如控制模块、压制模块、输送模块和增材制造模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可在激光烧结前对增材材料进行压制处理，从而解决增材制造过程中制造材料产生分离对制件带来的负面影响，以克服现有增材制造装备适用粉末范围小、无法直接制备致密材料等问题。因而尤其适用于增材制造的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统，包括控制模块以及与所述控制模块通信连接的压制模块、输送模块和增材制造模块，其中，
所述压制模块包括铺粉机构和压力机构，所述铺粉机构用于根据控制模块发送的指令信息将指定质量及类型的粉末进行均匀铺设在所述输送模块上的指定位置，然后所述压力机构将铺设的粉末进行压制，以使得压制后铺设的粉末的厚度为预设值；
所述输送模块用于将压制后的粉末运输至增材制造模块的激光烧结区域；
所述增材制造模块根据所述控制模块发送的模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结，从而实现致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造。
进一步的，所述输送模块包括多个可分离加工平台和平台输送机构，多个所述可分离加工平台可活动的设于所述平台输送机构上，并在所述平台输送机构的驱动作用下沿指定的传输路线运动。
进一步的，所述增材制造模块包括平台升降机构和激光加工机构，所述平台升降机构用于根据控制模块发送的分层信息将所述平台输送机构运输过来的可分离加工平台移动至指定高度，然后所述激光加工机构根据模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结。
进一步的，所述增材制造模块还包括定位机构，所述定位机构设于所述平台升降机构上，用于固定所述可分离加工平台。
进一步的，所述平台输送机构采用机械手、传送带或旋转平台中的一种或多种组合。
进一步的，所述压力机构包括压制驱动组件以及压力传导组件，所述压制驱动组件与所述控制模块通信连接，并根据控制模块发送的指令驱动所述压力传导组件向下运动，以压制均匀铺设在所述输送模块上的粉末。
进一步的，所述激光加工模块为CO2激光器或YAG激光器中的任一种或两种。
进一步的，所述压力机构在工作时的提供的压力方式为模压压制、高速压制或者超声波振实中的任意一种或多种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明在激光烧结前对待成型粉体进行压制处理，增加了烧结前的粉体堆积密度，减少了内部堆积空隙的同时，能够实现致密陶瓷零件的直接激光烧结制造，同时可避免高扫描速度带来的球化现象，提高了成型效率。
2.本发明在增材制造过程中，由于对粉体进行了压制处理，粉体在成型时不会由于密度和粒径的差异产生分层，因而对粉体原料限制小，可以实现多组分复合粉体的激光烧结成型。
3.本发明可采用多个工作平台同步进行激光烧结/压制处理，比起传统的单一工作平台设计能够大大提升成型效率。
4.本发明避免了昂贵的浸渗、热等静压等后处理方式，能够减小致密零件增材制造的成本。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统的结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统的工作流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-激光加工机构，2-平台升降机构，3-铺粉机构，4-压力机构，5-可分离加工平台，6-平台输送机构，7-定位机构，8-控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统包括：增材制造模块、压制模块、输送模块以及控制模块，其中，所述压制模块包括铺粉机构3和压力机构4，所述铺粉机构3用于根据控制模块发送的指令信息将指定质量及类型的粉末进行均匀铺设在所述输送模块上的指定位置，然后所述压力机构4将铺设的粉末进行压制，以使得压制后铺设的粉末的厚度为预设值；所述输送模块用于将压制后的粉末运输至增材制造模块的激光烧结区域；所述增材制造模块根据所述控制模块发送的模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结，从而实现致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造。
具体而言，在本发明中，所述增材制造模块包括激光加工机构1和加工平台升降机构2。所述激光加工机构1设于加工平台升降机构2的上方，平台升降机构2根据所述控制模块发送的模型分层信息控制可分离加工平台5的上下运动，并由激光加工机构1选择性地对粉体进行扫描烧结，从而实现增材制造。所述激光加工机构1为CO2激光器或YAG激光器中的任一种或两种。
所述压制模块包括铺粉机构3和压力机构4，由铺粉机构3精确控制待成型的粉末均匀铺在可分离加工平台5上，并由压力机构4对待成型粉末进行压制处理。在本发明中，所述压力机构4包括压制驱动组件以及压力传导组件，所述压制驱动组件通过通信与所述控制模块连接，并根据控制模块发送的指令驱动所述压力传导组件向下运动，以压制待烧结的粉末，使得待烧结的粉末的密度和厚度具有较好的均一性，以解决增材制造过程中制造材料产生分离对制件带来的负面影响。所述压力机构4在工作时的压力提供方式为模压压制方式、高速压制方式或超声波振实的一种或多种组合。
所述输送模块包括多个可分离加工平台5和平台输送机构6，由平台输送机构6完成可分离加工平台5在增材制造模块在压制模块之间的输送。平台输送机构6采用机械手、传送带或旋转平台中的一种或多种复合，实现可分离加工平台5在增材制造模块与压制模块之间的输送。进一步的，为了提高工作效率，本发明中的多个可分离加工平台5可同时进行流水线的作业。更进一步的，为了实现分区增材制造，本发明中的多个可分离加工平台5可根据不同待烧结材料进行拼接。具体而言，根据单层模型信息，将不同待烧结的材料放置在不同的可分离加工平台5上，然后进行压制后，平台输送机构6将携载有不同材料粉末的多个可分离加工平台5按照单层模型信息进行拼接，然后将拼接好的多个可分离加工平台5运输至增材制造模块的激光烧结区域进行烧结成型。更近一步而言，在本发明中，为了实现在多个可分离加工平台5在拼接过程中带来的缝隙，在进行拼接的时候，还需采用填缝组件对多个可分离加工平台5在拼接过程中带来的缝隙进行填补。优选的，该填缝组件设置于所述激光加工机构1的旁侧，其用于向所述缝隙内填补指定连接材料。或者，在本发明中，多个可分离加工平台5在拼接处的一侧设有刮涂设备，用于将待加工的粉末进行刮涂整体后进行拼接。
如图2所示，本发明一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统的工作流程如下：
首先，在工作循环的开始，可分离加工平台5位于压制模块中，压制模块的中的铺粉机构3向可分离加工平台5上根据设定的粉量精确铺粉，然后压制模块中的压力机构4对铺好的粉进行压制处理；随后，含有待成型粉体的可分离平台5经过输送模块由平台输送机构6输送至增材制造模块中，输送到位后可分离加工平台5与加工平台升降机构2之间通过定位机构7固定，保证每层成型的定位精度；可分离加工平台5固定后，加工平台升降机构2根据分层信息移动至指定高度，然后由激光加工机构1根据分层截面信息完成对指定单层的烧结；随后加工平台升降机构2回复至输送高度，定位机构7解除可分离加工平台5与加工平台升降机构2之间的连接，可分离加工平台5经过输送模块回到压制模块中，至此一个循环结束，此循环一直进行到零件的制造过程完成为止。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造系统，其特征在于，包括控制模块以及与所述控制模块通信连接的压制模块、输送模块和增材制造模块，其中，
所述压制模块包括铺粉机构(3)和压力机构(4)，所述铺粉机构(3)用于根据控制模块发送的指令信息将指定质量及类型的粉末进行均匀铺设在所述输送模块上的指定位置，然后所述压力机构(4)将铺设的粉末进行压制，以使得压制后铺设的粉末的厚度为预设值；
所述输送模块用于将压制后的粉末运输至增材制造模块的激光烧结区域；
所述增材制造模块根据所述控制模块发送的模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结，从而实现致密材料制备的激光烧结同步压制增材制造。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输送模块包括多个可分离加工平台(5)和平台输送机构(6)，多个所述可分离加工平台(5)可活动的设于所述平台输送机构(6)上，并在所述平台输送机构(6)的驱动作用下沿指定的传输路线运动。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述增材制造模块包括平台升降机构(2)和激光加工机构(1)，所述平台升降机构(2)用于根据控制模块发送的分层信息将所述平台输送机构(6)运输过来的可分离加工平台(5)移动至指定高度，然后所述激光加工机构(1)根据模型分层信息选择性的对压制后的粉末进行扫描烧结。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述增材制造模块还包括定位机构(7)，所述定位机构(7)设于所述平台升降机构(2)上，用于固定所述可分离加工平台(5)。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述平台输送机构(6)采用机械手、传送带或旋转平台中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述压力机构(4)包括压制驱动组件以及压力传导组件，所述压制驱动组件与所述控制模块通信连接，并根据控制模块发送的指令驱动所述压力传导组件向下运动，以压制均匀铺设在所述输送模块上的粉末。
7.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述激光加工机构(1)为CO2激光器或YAG激光器中的任一种或两种。
8.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述压力机构(4)在工作时的提供的压力方式为模压压制、高速压制或者超声波振实中的任意一种或多种。
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